解题思路:(1)P在竖直平面内做匀速圆周运动,受力平衡,即可判断所带电性;(2)弹簧从水平摆至竖直位置的过程中,其弹力做功即为弹性势能变化量;(3)因为磁场方向没有说明,所以同样要分情况讨论,分别求不同情况下tN与tP的大小是否相等.
(1)由题意知:N碰后做平抛,小球P在竖直平面内做匀速圆周运动,故P所受电场力和重力平衡,P带正电荷;
(2)设弹簧弹力做功为W,有mgh+W=
1
2mv2−
1
2mv02
带入数据得:W=-2.05J,△Ep=-W=2.05J;
(3)设P、N碰后的速度大小分别为v1和V,并令水平向右为正方向
由:qv1B=m
v12
r
得:v1=[Bqr/m]=5m/s;
若P、N碰后速度同向时:mv=mv1+MV
计算可得V=1.25m/s<v1,这种碰撞不能实现;
设P、N瞬时必为反向运动,有:mv=-mv1+MV
得:V=2.5m/s;
设P、N速度相等时,N经过的时间为tN,P经过的时间为tP,此时N的速度V1的方向与水平方向的夹角为θ,有:
cosθ=
V
V1=
V
v1
解得:θ=60°
gtN=V1sinθ=v1sinθ
代入数据得:tN=
3
4s;
对小球P,其圆周运动的周期为T,有:T=
2πr
v1=
2πm
qB=
π
5s
即tN<T
P经过tP时,对应的圆心角为α,有:tP=
α
2πT
当磁感应强度B的方向垂直于纸面向外时,若P、N的速度相同,如图可知,有:α1=π+θ
联立相关方程得:tP1=
2π
15s
比较得:tN≠tP1,在此情况下,P、N的速度在同一时刻不可能相同;
当磁感应强度B的方向垂直于纸面向里时,若P、N的速度相同,如图可知,有:α2=π-θ
同上得:tP2=
π
15s
比较得:tN≠tP2,在此情况下,P、N的速度在同一时刻不可能相同;
答:(1)小球P带正电;
(2)弹簧从水平摆至竖直位置的过程中,其弹性势能变化了2.05J;
(3)小球P、N碰撞后不能在某一时刻具有相同的速度.
点评:
本题考点: 匀强电场中电势差和电场强度的关系;动量守恒定律;弹性势能.
考点点评: 该题考查了带电粒子在电场、磁场中的运动,涉及到平抛运动和圆周运动的相关知识,速度相同包括大小相等和方向相同,并且要讨论磁场的方向,难度特别大,属于难题.